面向5G时代的4G校园网布局策略研究

2021-01-24李鹏来彭方生中国联通武汉分公司湖北武汉430014

邮电设计技术 2020年12期

李源，李鹏来，彭方生（中国联通武汉分公司，湖北武汉 430014）

1 概述

随着工信部向运营商颁发5G 商用牌照，5G 时代已正式来临。考虑到终端普及、网络建设、市场发展等因素，预计4G 向5G 过渡需要1～2 年时间。在4G 向5G 过渡期间，如何做好4G 校园网布局，一方面解决目前4G 校园网覆盖和容量需求，一方面为5G 大规模部署做好准备，是本文要探讨和解决的问题。

2 4G校园网面临的挑战

2.1 网络深度覆盖不足

深度覆盖一直是校园网覆盖的难点和痛点，特别是宿舍底层深度覆盖问题比较突出。

图1 是某校园宿舍区域4G 现网布局，该区域在学生宿舍5 栋上部署一个宏站，宏站到周边宿舍覆盖半径在100～150 m。由于该区域宿舍主要呈“回”字形，无线环境较封闭，加上被树木遮挡，宿舍底层覆盖整体较弱。从表1的测试结果来看，宿舍底层平均RSRP为-98.7 dBm，SINR 值为10 dB 左右。尤其是位于宏站覆盖边缘的1、4、7、9 栋宿舍底层弱覆盖问题尤为严重。表1 展示了9 栋底层CQT 测试结果，大部分区域RSRP 低于-100 dBm。单纯依靠4G 宏站对校园网覆盖，无法解决宿舍底层深度弱覆盖问题，需要对现有校园网站址布局进行加密。

图1 校园宿舍区域4G现网宏站分布图

表1 校园宿舍区域底层4G覆盖情况

2.2 网络容量存在瓶颈

由于腾讯王卡、冰激凌套餐等不限流产品发展迅猛，校园网面临巨大的容量和负荷压力。宿舍区域晚忙时4G PRB 利用率保持在70%以上，CQI 低于10，后台统计下行业务平均速率不足3 Mbit/s，现场实测速率不足1 Mbit/s（见表2）。

表2 校园宿舍区域晚忙时统计指标

宿舍区域究竟要配置多少容量才能满足需求？表3 是对图1 中宿舍区域容量预估结果。该区域共9栋宿舍，共居住学生7 200 人。该院校联通市场占有率为60%左右，该区域共有联通用户4 320 人。根据后台指标统计，晚忙时用户RRC 激活率为40%，下行业务占空比为15%。按4G下行5 Mbit/s速率保障用户感知，该区域需要配置25.9个20 MHz带宽的4G载扇，而目前该区域1 个三载波满配宏站仅能提供6 个20 MHz 带宽4G 载扇和3 个10 MHz 带宽4G 载扇，远无法满足4G容量需求，需要进一步提升容量。

2.3 支撑5G发展能力不足

5G 时代，如果依托现有4G 宏站建设5G 宏站对校园宿舍进行覆盖，会存在以下2个方面的问题。

表3 校园宿舍区域4G容量配置需求预估

一是5G 网络深度覆盖水平无法得到保证。表4是根据5G 试验网测得的视线传播LOS、非视线传播NLOS 平均无线路径路损。视线传播LOS 主要针对宿舍高层，非视线传播主要针对宿舍底层。表5 是根据5G试验网测得的砖混结构校园宿舍平均穿透损耗。

表4 1.8 GHz频段与3.5 GHz频段无线路径传播损耗对比

表5 1.8 GHz频段与3.5 GHz频段穿透损耗对比

以测试距离150 m 为例，3.5 GHz 频段无线路损较1.8 GHz 频段在LOS、NLOS 2 种场景分别增加13.32 dB和24.86 dB的损耗；加上在穿透损耗上较1.8 GHz频段增加6.6 dB。3.5 GHz 频段合计比1.8 GHz 频段增加19.92 dB 和34.46 dB 损耗。以表1 中学生宿舍9 栋为例，目前4G 底层覆盖水平为-101 dBm，根据上面的推算，5G覆盖水平将低于-128 dBm 的最低接入门限，无法实现5G接入。

二是网络容量无法满足5G 业务需求。按表3 中模型对5G 容量需求进行评估，结果如表6 所示。在5G按50 Mbit/s的下行速率保障用户感知的情况下，该宿舍区域需要配置16.2 个100 MHz 带宽的5G 载扇。目前宿舍区域一个宏站仅提供3 个100 MHz 带宽配置的5G载扇，无法满足容量需求，需要进一步加密站址。

表6 校园宿舍区域5G容量配置需求预估

3 面向5G时代4G校园网布局新策略

3.1 传统校园网布局策略分析

根据本文第2 章的分析，主要依靠宏站对校园网进行覆盖，既无法满足4G 深度覆盖和容量需求，也无法支撑5G网络的发展。要解决该问题，需要通过加密站址布局来提升网络覆盖水平和网络容量。

目前针对校园网站址加密通常采用建设宏站、建设微站、建设室分3种方式。宏站对覆盖提升效果好，但干扰控制难度大，无法密集布局，对网络容量提升有限，因此只适用于一些网络负荷较低的校园；微站虽然干扰控制相对容易，可密集布局，但因发射功率受限导致其覆盖范围小，对建设精准性要求很高，站址稍有偏差就可能无法达到预期效果；建设室分在覆盖效果和容量提升上是3 种策略中最好的，但建设投资较大，同时存在器件较多、后期维护工作量大的问题。因此需要找到一种新的校园网站点布局策略，既能有效提升网络覆盖水平，同时也能大幅提升网络容量，同时又能实现相对低廉的造价。

3.2 校园网精准滴灌布局新策略

针对以上问题，本文提出“精准滴灌、多点覆盖”的校园网布局新策略。

精准滴灌指的是通过采用指向性较好的特殊天线对宿舍进行精准覆盖；多点覆盖指的是通过控制天线覆盖范围和网络干扰，实现网络的密集布局，从而达到提升容量的目的。

本文采取射灯大张角美化天线，与普通板状天线不同的是，其水平半功率角仅为20°左右，垂直半功率角达60°（见表7）。这种天线一方面适合在水平方向上密集布局，提升网络容量；另一方面在垂直方向上能量比较集中，能有效避免塔下黑现象，适合提升楼栋底层深度覆盖（见图2）。采用宏站RRU作为射灯天线信源，避免微站发射功率不足的问题。

表7 大张角射灯天线参数

图2 大张角射灯天线方向图

根据“精准滴灌、多点覆盖”策略，对图1中宿舍区域网络布局改造如下。

a）所有宿舍楼顶建设射灯大张角天线，共计16副天线。射灯天线倾角优化调整为30°，利用其垂直半功率角大的特性，以精准滴灌的方式覆盖本楼下面宿舍和对面楼宇宿舍。

b）针对“一”字型宿舍采取1.8 GHz+2.1 GHz 异频交错布局的方式控制干扰；针对“回”字型宿舍通过控制覆盖范围，将信号收缩在宿舍内部避免外泄。

c）该区域改造后共配置16 个20 MHz 带宽配置4G 载扇（1.8 GHz 20 MHz×8+2.1 GHz 20 MHz ×8）和8个10 MHz 带宽4G 载扇（1.8 GHz 10 MHz×8），折合20个20 MHz带宽4G载扇，相比原容量配置大幅提升，基本满足第2章中对容量评估的需求。

完成改造后的网络布局如图3 所示，其中红色箭头表示安装1.8 GHz RRU，白色天线表示安装2.1 GHz RRU。

3.3 4G网络覆盖实测结果

采用“精准滴灌、多点覆盖方式”对网络布局进行改造后，该区域整体覆盖RSRP 水平得到较大提升。从MR 指标来看，-85 dBm 以上MR 采样点占比提升约7个百分点（见图4）。

图3 “精准滴灌、多点覆盖”方式校园网布局

从现场CQT 结果来看，该区域共9 栋宿舍底层平均RSRP 从-99.1 dBm 提升到了-84.4 dBm，提升14.7 dBm；平均SINR 从10.3 dB 提升到20.8 dB，提升10.5 dB（见表8）。

以学生宿舍9 栋为例，改造前底层平均覆盖水平为-101 dBm，改造后达到了-84 dBm。整体覆盖提升17 dBm。

3.4 网络容量提升效果

图4 MR指标前后对比

表8 校园宿舍区域网络布局改造后底层4G覆盖情况

表9 网络布局改造前后晚忙时指标对比

提取网络布局改造完成前、改造后各一周晚忙时指标（见表9）。无论从吸收流量、网络负荷还是用户感知，都得到较大提升和改善。其中日均流量从1.56 TB 增加到2.17 TB，增加51.9%；忙时下行PRB 利用率从75.6%降至47.4%；下行用户感知速率从2.9 Mbit/s提升到了7.5 Mbit/s。